Analysis and design of slow wave structure for backward wave oscillators
Geriye yürüyen dalga osilatörleri için tasarlanan yavaş dalga yapılarının analizi
- Tez No: 536335
- Danışmanlar: PROF. DR. ŞİMŞEK DEMİR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 100
Özet
Yüksek güçlü mikrodalga uygulamaları son yıllarda radar, yönlendirilmiş enerji silahları, plazma bilimi, uydu haberleşmesi, parçacık fiziği ve tıp alanlarında bir çok uygulama alanı bulmuştur. Klistron, virkatör, kiklotron, magnetron ,yürüyen dalga amplifikatörü (TWTA) ve geriye giden dalga osilatörü (BWO) yüksek güçlü mikrodalga kaynaklarının bazı örnekleridir. Bu tezde yüksek güçlü mikrodalga kaynaklarından biri olan geriye giden dalga osilatörü üzerinde durulacaktır. Elektron enerjisini dalga enerjisine çeviren geriye giden dalga osilatörü bir mikrodalga kaynağıdır. Bu cihazlar aynı zamanda Cherenkov cihazları olarak da bilinmektedir. Bunun nedeni Cherenkov ışıması ile olan benzerliğinden gelmektedir. Elektron hızı aynı ortamda bulunduğu ışığın hızını geçerse Cherenkov ışıması meydana gelmektedir. Elektron ve dalganın etkileşim gösterdiği yerler dalga yavaşlatıcı yapısı olarak bilinmektedir. Çünkü bu yapılarda dalganın faz hızı elektron demetinin hızının altına düşer. Bu işlevi gören yapıları tasarlamak için periyodik olarak konan engeller, dielektrik veya metamalzemeler kullanılabilir. Dielektrik kullanımı dalga yavaşlatıcı yapısı için uygun olsa da dielektrik kırılımından dolayı yüksek güçlü mikrodalga kaynaklarında tercih edilmez. Dielektrik malzeme yerine periyodik olarak eklenen metal engeller veya metamalzemeler olarak da bilinen yapılar kullanılabilir. Dalga yavaşlatıcı yapısı osilasyon frekansı, dönüşüm verimliliği, çıkış gücü ve kompaktlık gibi birçok parametreyi etkilemektedir. Bu tezde geriye giden dalga osilatörleri için dalga yavaşlatıcısı tasarımı yapılmıştır ve bu yapı analiz edilmiştir. İlk olarak bir dalga yavaşlatıcı yapısının birim hücresinin dağılım diyagramının öngörümlemesi 3B elektromanyetik çözümü yapan bir yazılımda yapılmıştır. Boş bir dalga kılavuzundaki ve yavaşlatıcı dalga yapısındaki modlar incelenmiştir. Dönüşüm verimliliğini doğrudan etkileyen bir parametre olan etkileşim empedansı da yine aynı programda incelenmiştir. Tasarımın bu yapısında dalga negatif bir grup hızına ve elektron demetine yakın bir hıza sahip olması gerekir. Bu nedenle dalganın faz ve grup hızlarının öngörümlemesi 3B elektromanyetik tasarım programında yapılmıştır. Bu tasarımda dalgaların yayılımını ölçmek için 8 birim hücreden oluşan bir yapı birleştirilmiş ve üretilmiştir. Bu üretim dağılım diyagramının doğrulanmasında kullanılmıştır. Ölçümlerde rezonans frekansları ve modu öngörümlemelerle yakın çıkmaktadır. Dalga yavaşlatıcı yapısının elektron demeti içeren öngörümlemesi de ayrıca yapılmıştır. Halka biçiminde bir elektron demeti yavaşlatıcı dalga yapısının içerisinde gözlenmistir. Halka biçimindeki elektron demetini bir arada tutmak için analitik manyetik alan uygulanmıstır. Son olarak 2.49 GHz frekansında osilasyon yapan bir geriye giden dalga osilatörü gözlenmiştir.
Özet (Çeviri)
High power microwave is an emerging area that finds different applications in radar, directed energy weapons, plasma science, satellite communications, particle physics and medicine fields. Some examples of high power microwave devices are klystron, vircator, cyclotron, magnetron, travelling-wave tube amplifier (TWTA) and backwardwave oscillators (BWO). In this work, we focus on backward-wave oscillator that is one of the high power microwave sources. Backward-wave oscillator is a real high power microwave sources that convert electron beam energy to waves. It is also called as Cherenkov devices because emission process is analogous to Cherenkov radiation which occurs when the electron velocity exceeds the light velocity in that medium. Beam-wave interaction is achieved in the part called as slow-wave structure. Wave velocity is reduced below the electron beam velocity in this part. This part can be designed with periodic obstacles, dielectric or metamaterial. However, using dielectric is not preferred due to dielectric breakdown for high power microwave devices. Instead of that metallic periodic obstacles or metamaterials are used. This part affects the operation frequency, conversion efficiency, output power and compactness. As a result of these, slow wave structure is the crucial part of the BWO. In this work, we analyzed and designed the slow-wave structure for high power backward-wave oscillators. First, the unit cell of the slow wave structure simulation is performed in terms of dispersion diagram using commercial 3D electromagnetic solver. Modes of the SWS are also investigated for both empty circular waveguide and SWS. Interaction impedance which is the parameter for conversion efficiency is extracted for the unit cell. Phase velocity and group velocity of the wave in this medium is also simulated. Eight unit cells are combined to measure the propagation of the wave in that structure. Combined 8 unit cells are fabricated and measured in terms of S parameters. This measurement validates the dispersion diagram of the unit cell since it resonates for the desired mode and frequency. Hot test simulation of the slow wave structure is also investigated using commercial 3D particle solver. In this simulation, annular electron beam is used and validated SWS is used for hot test simulation. In order to confine the annular electron beam analytical magnetic field is applied. At the end, we observed the operation frequency as the 2.49 GHz which is in the passband region of the validated SWS.
Benzer Tezler
- Yürüyen dalgalı tüp kuvvetlendiricilerinde tek helisli yavaş dalgalı yapıların analizi, tasarımı ve incelenmesi
Analysis, design and investigation of single helix slow-wave structures in traveling wave tube amplifiers
AGAH OKTAY ERTAY
Doktora
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SERKAN ŞİMŞEK
- Ku bant yürüyen dalga tüpü tasarımı
Ku band traveling wave tube design
MEHMET İZMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SERKAN ŞİMŞEK
- Design, analysis and production of temperature sensor using microstereolithography technique
Mikrostreolitografi tekniği kullanılarak sıcaklık sensörünün tasarımı, analizi ve üretimi
TAYYAB WAQAR
Doktora
İngilizce
2022
Mekatronik MühendisliğiMarmara ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEZGİN ERSOY
- Periyodik olarak yüklü dikdörtgen dalga kılavuzlarında bloch empedansı ve uygulamaları
Bloch impedance of periodically loaded rectangular waveguides and its applications
FATİH AKIN BAYRAKTAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. SERKAN ŞİMŞEK
- Düşük simetrili fotonik kristal yapıları tarafından sağlanan yüksek verimliliğe sahip optik fenomenler
Highly efficient peculiar optical phenomena provided by low symmetric photonic crystal structures
MELİKE GÜMÜŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiTOBB Ekonomi ve Teknoloji ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAMZA KURT